1、開封大學學生畢業論文 論文題目：銅離子測定方法及檢測 班級： 姓名： 學號：2009051243 時間：2012年3月1日-2012年5月30日 2012年5月30日目 錄論 文 摘 要.3一、緒論.4（一）金屬離子的識別意義和方法簡介.4（二）熒光光譜.4 (三)熒光分析法.6（四）熒光分析的優點.7（五）熒光定量分析的各種條件.7（六）分子結構與熒光的關系.8(七)熒光分子探針.9二、銅離子探針對銅離子含量的測定.9（一）引論.9（二）實驗部分.10（三）實驗結果與討論.16（四）小結.18三、結束語.19參考文獻.20致謝.21論 文 摘 要銅離子是化學、生命科學、環境科學和醫學等許多科

2、學領域研究的重要對象，對溶液中銅離子的識別和檢測是分析化學的主要任務之一。熒光分子探針檢測法不僅簡便，而且在高靈敏度、選擇性、時間分辨、實時原位檢測方面均有突出優點。因此在傳統的受體分子上按照熒光分子傳感器設計原理連接熒光團構造的超分子熒光傳感器用于識別銅離子的研究受到越來越廣泛的關注。 本論文主要工作是對已合成的熒光探針化合物利用紫外可見分光光度計和熒光分光光度計進行檢測。本研究進行了多個不同探針對不同金屬離子的檢測，其中有一個比較成功，是對銅離子有高選擇性的探針A對水中銅離子的檢測，在對檢測液進行3D掃描后得出探針A的檢測波長，即探針A檢測銅離子的激發波長EX=550nm，發射波長EM=5

3、90nm。在對不同濃度的銅離子的熒光掃描中得出探針檢測銅離子的標準曲線，其線性方程為y=1.761x+12.4。從標準曲線 中得出該探針A的檢測限為6.345ML。該探針檢測限低，具有良好的選擇性，無其他金屬干擾。是一種方便快捷的檢測方法。關鍵詞:熒光探針 Cu2+檢測銅離子測定方法及檢測劉瑞華（開封大學化工學院09應化三班）一、 緒論（一） 銅離子識別的意義和方法簡介自然界中廣泛存在著銅元素。它們在不同濃度下往往會顯示出差異性的正面作用或負面作用，當銅離子濃度低于1M時，在許多生命過程（生物催化反應酶的輔酶、生物運輸過程、生物合成等）中都是不可或缺的，然而，當在生物體中存在濃度過高時，則會產

4、生對一些必須酶的抑制作用、生物氧化/還原過程異常、神經毒性等有害作用。目前常用的銅離子分析檢測方法主要分為直接法和間接法兩大類。直接法是一類直接利用銅離子自身物理、化學性質對其進行分析檢測的方法，包括原子吸收/發射光譜法和離子選擇性電極法；間接法是一類利用銅離子和指示劑（也可稱為化學分子探針）之間的特異性化學反應或超分子作用產生的信號變化對銅離子進行分析檢測的方法，包括傳統的銅離子指示劑和近年來研究較熱的銅離子熒光分子探針。（二） 熒光光譜1.熒光的產生熒光是一種光致發光現象1。室溫下，大多數分子處于在基態的最低振動能層。處于基態的分子吸收能量(電能、熱能、化學能或光能等)后被激發，躍遷到激發

5、態，激發態不穩定，分子將很快衰變到基態。若返回到基態時伴隨著光子的輻射，這種現象稱為“發光”。2熒光光譜的基本概念根據量子理論，微觀體系(原子、分子等)的內部運動一般是不連續的，有一系列分立的能級。體系由一能級向其他能級的過渡稱為躍遷2。體系由高向低能級的躍遷伴隨著能量的釋放;由低能級向高能級躍遷伴隨著能量的吸能量的釋放和吸收可以以輻射的方式進行(放出或吸收光子)，成為輻射躍遷也可以以無輻射的方式進行，如離子相互碰撞而產生的能量就是無輻射躍遷子。全部能級間可能的輻射躍遷對應于一系列輻射頻率，成為該物質的光譜。光光譜包括激發譜和發射譜兩種。激發譜是熒光物質在不同波長的激發光作用測得的某一波長處的

6、熒光強度的變化情況，也就是不同波長的激發光的相對效發射譜則是某一固定波長的激發光作用下熒光強度在不同波長處的分布情況，就是熒光中不同波長的光成分的相對強度。同輻射發射和吸收相關聯的除了原和分子外，還有他們的聚集結構如晶格、半導體中的電子空穴對等等。3熒光光譜的主要參量激發譜和發射譜熒光光譜包括激發譜和發射譜兩種3。激發譜是熒光團在不同波長的激發光作用下測得的某一波長處(通常是其熒光光譜峰位的波長)的熒光強度的變化情況，也就是不同波長的激發光的相對效率。發射光譜則是某一固定波長的激發光作用下熒光強度在不同波長處的分布情況，也就是熒光中不同波長的光成分的相對強度。熒光發射光譜顯示了若干普遍的特性。

7、熒光壽命當某種物質被一束激光激發后，該物質的分子吸收能量后從基態躍遷到某一激發態上，再以輻射躍遷的形式發出熒光回到基態.當激發停止后，分子的熒光強度降到激發時最大強度的l/e所需的時間稱為熒光壽命4，通常用丫表示。通過測量壽命可以得到有關分子結構和動力學等方面的許多信息。熒光強度熒光強度F取決于激發態的初始分布IA與熒光量子產率的乘積5。這里的F指的是向各個方向上發射的熒光強度的總和，實際上，光譜儀收集的只是其中的一小部分，因此儀器測到的熒光強度為F=IAFZ，這里Z是儀器因子。很顯然熒光強度與樣品在波長A處的消光系數有關，而消光系數與激發波長是密切相關的，消光系數隨波長的變化稱為即吸收譜，因

8、此熒光強度也隨激發波長的變化而變化。實際上儀器因子Z與波長是有關的，這就使得激發譜與吸收譜并不完全相似。（三） 熒光分析法1. 熒光分析法定量分析及其原理熒光分析法的定量測定方法較多，可分為直接測定法和間接測定法兩類。直接測定法:利用熒光分析法對被分析物質進行濃度測定，最簡單的便是直接測定法。某些物質只要本身能發熒光，只須將含這類物質的樣品作適當的前處理或分離除去干擾物質，即可通過測量它的熒光強度來測定其濃度。具體方法有兩種。直接比較法:配制標準溶液的熒光強度Fx，己知標準溶液的濃度CS，便可求得樣品中待測熒光物質的含量。如果空白溶液的熒光強度調不到零，則必須從Fs和Fx值中扣除空白溶液的熒光

9、強度FO，然后進行計算。標準曲線法:將已知含量的標準品經過和樣品同樣處理后，配成一系列標準溶液，測定其熒光強度，以熒光強度對熒光物質含量繪制標準曲線。再測定樣品溶液的熒光強度，由標準曲線便可求出樣品中待測熒光物質的含量。間接測定法:有許多物質，它們本身不能發熒光，或者熒光量子產率很低，僅能顯現非常微弱的熒光，無法直接測定，這時可采用間接測定方法。間接測定方法有以下幾種:化學轉化法:通過化學反應將非熒光物質變為適合于測定的熒光物質。例如金屬與鰲合劑反應生成具有熒光的螯合物。有機化合物可通過光化學反應、降解、氧化還原、偶聯、縮合或酶促反應，使它們轉化為熒光物質。熒光碎滅法:這種方法是利用本身不發熒

10、光的被分析物質能使某種熒光化合物的熒光碎滅的性質，通過測量熒光化合物熒光強度的下降，間接地測定該物質的濃度。敏化發光法:對于很低濃度的分析物質，如果采用一般的熒光測定方法，其熒光信號太弱而無法檢測，可使用一種物質(敏化劑)以吸收激發光，然后將激發光能傳遞給發熒光的分析物質，從而提高被分析物質測定的靈敏度。在實驗室，一般采用工作曲線法進行校正。既用處理過的已知量的物質，和式樣溶液配成標準溶液，測定其熒光強度，再以標準溶液濃度為橫坐標，以熒光強度為縱坐標繪制工作曲線。然后由所測得的試樣溶液的熒光強度對照工作曲線以求出試樣溶液中分析物質的濃度。（四） 熒光分析的優點熒光分析法憑借其高靈敏度，得以迅速

11、發展。眾所周知在微量物質的各種分析方法中，比色法和分光光度法應用最為廣泛。而熒光分析法的靈敏度一般要比這兩種方法高23個數量級，它的靈敏度?？蛇_億分之幾。這是因為在熒光分析中，是由所測得的熒光強度來測定熒光物質的含量，而熒光強度的測量值不僅和被測溶液中熒光物質的本性及其濃度有關，而且與激發光的波長和強度以及熒光分析檢測器的靈敏度有關。因此加大激發光的強度，可以增大熒光強度，從而提高分析的靈敏度。熒光分析還有一個優點，就是高選擇性。在對金屬離子的測定中，熒光分析得到了廣泛的應用，主要源于這種分析方法對金屬離子有很高的選擇性。與此同時，熒光分析法還具有動態線性范圍寬，方法簡便，重現性好，取樣量少，

12、儀器設備不復雜等優點。然而，不能對本身不發熒光的物質進行直接檢測，這在某種程度上妨礙了熒光分析應用范圍的擴展。因此，還要更深入的研究化合物結構的關系與熒光的產生，才能合成更多的靈敏度高選擇性好的新熒光試劑，使熒光分析的能夠更好的能到應用。（五） 熒光定量分析的各種條件在熒光定量分析中，為了確定熒光分析的最佳工作條件，應考察以下的因素的影響及其消除方法同時還必須準確測定待測組分的激發和發射光譜。熒光物質的熒光光譜和熒光強度在不同的溶劑中會有很大的區別。這種影響分為一般溶劑效應和特殊溶劑效應。因此，在實驗中，一定要選擇合適的溶劑，并且該溶劑要有足夠的純度。同時還要必須考慮到的是溫度的影響。通常，隨

13、著溫度的降低，熒光物質溶液的熒光量子產率和熒光強度增大，事實上溫度對熒光強度的影響是通過分子的內部能量轉化作用。因此實驗中，一般將溫度控制在2025范圍內。但反應速度較慢的情況下，可能要加熱才能使反應完全。溶液的pH值改變將對熒光強度產生很大的影響。大多數含有酸性或堿性基團的芳族化合物的熒光光譜，對于溶劑的pH氫鍵能力是非常敏感的。溶液的pH改變將會影響到基態分子或激發態分子的酸堿性質。對于金屬離子與有機試劑形成的熒光絡合物，溶液的pH值改變還會影響到絡合物組成的改變。不管哪種改變，最終都會導致到熒光光譜與熒光強度的改變。（六） 分子結構與熒光的關系1. 分子共扼體系大小對熒光的影響在有機熒光

14、試劑中，有機分子中具有發射熒光的基團稱為熒光團5。熒光團必須含有共扼大鍵，當共軛鍵達到一定程度才會發射出熒光，如苯、蔥、蔡、菲、對苯二醒等基團。芳香類碳氫化合物與直鏈的烯烴化合物相比，激發能向振動能的轉換更難，因而熒光強度更大。而對于具有強熒光的有機化合物和熒光試劑，僅有大的共扼體系還是不夠的，分子的共轆體系必須具備共平面性并且還要有一定程度的剛性。例如蔡和維生素A都有五個共軛鍵，前者為平面結構，后者是非剛性結構，而蔡的熒光強度為維生素A的五倍。2. 取代基對熒光的影響取代基效應是有機結構理論的重要組成部分，取代基的性質對熒光體的熒光特性和強度均有強烈的影響。芳烴和雜環化合物的熒光光譜和熒光產

15、率常隨取代基而變，取代基對熒光體的熒光強度、激發光譜、發射光譜和熒光效率的影響規律和機理，是人們甚為關注的領域，但到目前為止，我們對激發態分子的性質依舊了解不多，其影響規律大多數是通過實驗總結出來的。（七） 熒光分子探針1. 概述熒光分子探針，是指在一定體系內，當被分析物或被分析體系的物理、化學性質發生變化時，該熒光分子的熒光信號能發生相應改變，從而通過熒光信號反映出被分析物或被分析體系的濃度、性質等信息6。金屬離子熒光分子探針，則是指能和體系中存在的某種特定金屬離子發生作用，并且通過熒光信號的變化反應出該種金屬離子的濃度信息的熒光分子探針7。按照金屬離子熒光分子探針和相應金屬離子之間發生的相

16、互作用，可將其分為（1）金屬離子誘導反應和（2）金屬離子與探針分子發生絡合等超分子作用兩大類。而后者又可以根據金屬離子與探針分子作用前后熒光信號發生變化的機制不同，分為熒光團的（1）光致電子轉移，（2）光致電荷轉移，（3）熒光共振能量轉移和（4）激基聚合物四類。各種熒光分子探針自身的結構和組成也有不同，據此大致可分為（1）有機小分子探針，（2）生物大分子探針和（3）納米材料探針三類。二、 銅離子探針對銅離子含量的測定（一） 引論銅離子(Cu2+)在濃度較高時，是一種有害的環境污染物，會對動植物造成毒害，當人體攝入大量的銅離子之后，極易對身體內的臟器造成負擔，特別是肝和膽，當這兩種器官出現問題后

17、，維持人體內的新陳代謝就會出現紊亂，導致肝硬化、肝腹水甚至更為嚴重。相反，銅離子在濃度適宜時，則是維持生命體正常生理功能的必須元素之一，如銅離子對人體大腦、心臟、造血、抵御癌癥、抗衰老等方面都具有重要的作用。缺乏銅離子將會導致腦細胞中的色素氧化酶減少、活力下降，從而使記憶衰退、思維紊亂；銅離子參與形成的氧化酶也是構成心臟血管的基質膠原和彈性蛋白形成過程中必不可少的物質；人體造血也離不開需要銅離子合成的血漿銅藍蛋白；另外，銅離子對癌細胞也有一定的抑制作用，一些含銅的金屬硫蛋白、超氧化物歧化酶等具有較強的清掃此種代謝廢物的功能，能夠延緩衰老。因此，準確分析測定樣品中銅離子的含量對于監控環境質量、居

18、民飲用水及食品安全、營養健康狀態等非常重要。我國的飲用水安全標準要求飲用水中銅離子的含量必須不高于1ppm。目前常見的用于銅離子分析檢測的儀器和方法主要包括離子色譜法、分光光度法、熒光光譜法和原子吸收/發射光譜法、電化學方法等。其中分子光譜法（分光光度法、熒光光譜法）由于其所需儀器設備簡單、分析迅速、產生的熒光信號用肉眼觀測可非常方便實現半定量分析等特點，近年來越來越受到科學家們的廣泛關注。盡管目前有不少用于銅離子分析檢測的熒光分子探針已見報道，但是由于銅離子的順磁性，這些熒光分子探針大多是對銅離子產生熒光淬滅的響應?？紤]到靈敏度的因素，對銅離子產生熒光增強或變色響應的熒光分子探針的靈敏度更高

19、，設計合成這一類的熒光分子探針將是更加具有應用前景和挑戰性的工作。另外，部分已見報道的熒光分子探針對銅離子的選擇性不足，會受到鐵、汞、鈷、鎳等離子的干擾，仍有待通過探針分子的設計提高銅離子選擇性。（二） 實驗部分1.試劑 去離子水經過二次蒸餾后使用，已合成好的銅離子探針、乙腈、硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鈣、硝酸鎂、氯化錳、硝酸鐵、氯化亞鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鉛、硝酸鎘、硝酸銀、硝酸銅、硝酸鋅、高氯酸汞、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、醋酸鈉、鹽酸、醋酸均購自北京化學試劑公司，為分析純。HEPES緩沖溶液（20 mM）的配制：在500 mL燒杯中加入2.383 Hepes和200 mL去離子水，攪拌溶解后，在p

20、H計監控下，緩慢加入300mL乙腈。2.儀器 紫外-可見吸收光譜測定：紫外-可見吸收光譜使用UV-2800H型分光光度儀測定，樣品置于1 cm光程的石英比色皿中。熒光光譜測定：熒光激發、發射光譜均使用FP-7000熒光光譜儀測定，樣品置于1 cm光程的石英比色皿中。pH值測定：溶液pH值的測定使用Model pHS-3CpH計測定。3.溶液的配制 準確稱量探針A到25ml容量瓶中，加入乙腈至刻度，配成25ml，1mmL探針標液。4.測定銅離子含量的操作方法4.1確定測試波長a.紫外可見測試，進行光譜掃描，找出最大吸收波長，固定波長進行后續測定。從圖2.1可以看出探針在紫外燈下響應較低，所以不采

21、用紫外進行檢測。圖2.1銅離子探針A紫外可見光光譜掃描b.熒光測試，掃描激發波普和發射光譜，確定激發波長和發射波長。圖2.2為探針A的熒光3D掃描，從圖看出沒有熒光。圖2.3為濃度為100×10-6ML的探針A與100×10-6ML的銅離子溶液的熒光3D掃描譜圖，從圖中明顯看出有峰出現，即產生熒光。且從圖中看出熒光的激發波長EX為550nm左右，發射波長EM為590nm左右。又分別做了圖2.3和圖2.4。圖2.3設定激發波長EX為550nm進行熒光掃描，波峰出現在發射波長EM為590nm處。圖2.4設定發射波長EM為590nm進行熒光掃描，波峰出現在了激發波長EX為550n

22、m處。由此確定探針A的激發和發射波長為激發EX=550nm，發射EM=590nm。圖2.2銅離子探針A熒光3d掃描譜圖圖2.3設定激發波長EX為550nm掃描發射波長從500nm到700nm的熒光強度圖2.4設定發射波長EM為590nm掃描激發波長從450nm到700nm的熒光強度4.2顯色劑用量固定待測離子濃度，逐漸增加顯色劑濃度，做出劑量-響應譜圖，找出最佳顯色劑使用劑量。圖2.5為固定銅離子濃度為20ML,探針A的濃度為2ML,5ML, 8ML, 10ML, 15ML, 20ML, 30ML, 40ML, 50ML, 60ML, 70ML, 80ML, 90ML, 100ML掃描熒光得出

23、的散點圖。由圖看出當探針顯色劑的濃度到40ML后，熒光強度不再隨著顯色劑量的增加而增加，因此可以得出顯色劑與金屬銅離子的配比為2:1左右，最佳顯色劑用量為40ML。圖2.5固定銅離子濃度變探針A的濃度熒光掃描散點圖4.3測試介質根據顯色劑的溶解特性，以及將來測試水樣的目標，選擇盡量易得、水溶、低毒性的有機溶劑，如甲醇、乙醇、乙腈、丙酮、水等，最好是水，或者水合溶劑，掃描不同介質中的譜圖。此實驗主要用乙腈作為有機溶劑，為了盡量少用有機溶劑，本實驗選擇配一定比例的乙腈比水的溶劑。4.4反應時間 圖2.6是測試當顯色劑與銅離子濃度比為100ML：100ML時隨著反應時間的增加，熒光強度的變化情況。由

24、圖看出顯色劑與銅剛開始是瞬間反應的，因為當時間為0時熒光強度已經達到60。此處的時間0有一定誤差，滴加探針后把比色皿放入熒光機也有一定時間。從0秒到100秒之間響應值快速增加，到了100秒后響應值趨于穩定，到200秒又開始緩慢增加，到了600秒時達到穩定，響應值不再增加，即10分鐘后反應完全并打掃穩定，可以后續測定。圖2.6加入銅離子后隨著時間的的增加熒光強度的變化曲線4.5準確測試的線性范圍配置不同濃度的待測離子溶液，加入一定量的顯色劑，做劑量-響應圖，確定準確測試的線性范圍，得到線性方程。如圖2.7所示，此圖是以顯色劑的濃度為100ML，銅離子濃度為0ML,10ML，20ML,30ML,7

25、0ML,90ML,100ML,作待測液來測量標準曲線。得出線性方程為y=1.761x+12.4, R2=0.993，呈現較好的線性。圖2.7探針A的標準曲線4.6檢測限根據標準曲線，求出檢測限和定量檢測限。探針A檢測限是不加銅離子的熒光強度即空白溶液的熒光強度的3倍即為探針A的檢測限。因此探針A的檢測限為7.858×3=23.574.4.7干擾試驗選擇干擾陽離子：Cu2+、Hg2+、Zn2+、Mg2+、Pb2+、Ca2+、Cd2+、Ag2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+作干擾曲線。從圖2.8中看出，在波長為600nm處除了鐵和銅，響應值都低于20，對探針A的銅離子檢測影響很

26、小，可以忽略。鐵離子的波峰不在600nm處，此波峰屬于鐵對熒光的一種散射現象，并且在600nm處的響應值僅為50左右，也可以忽略。因此在600nm處沒有干擾。圖2.8探針A檢測干擾曲線（三） 實驗結果與討論探針與銅離子反應時間對檢測的影響由2.6可以看出此探針與銅離子反應速度非?？?，滴加探針與汞瞬間反應，到100s后趨于穩定，隨后又緩慢增加，等到了600s即10分鐘熒光強度不再變化。因此在實際運用中要注意把握好時間，滴加探針10分鐘后再進行熒光掃描會得到比較準確的數據，否則會增加誤差。1. 干擾離子對銅離子分析檢測的影響從圖2.8中看出，在波長為600nm處除了鐵和銅，響應值都低于20，對探針

27、A的銅離子檢測影響很小，可以忽略。鐵離子的波峰不在600nm處，此波峰屬于鐵對熒光的一種散射現象，并且在600nm處的響應值僅為50左右，也可以忽略。因此在600nm處沒有干擾。2. 測量范圍及極線性分析由圖2.7可得出探針A檢測銅離子的標準曲線和線性方程即y=1.761x+12.4,由此方程得R2=0.993，因此線性很好。并由此方程可得測量范圍，即把y=23.574代入方程可得x=6.345，所以測量范圍為從離子濃度大于等于6.345×10-6ML。3. 不同溶劑對熒光光譜的影響 PH的影響配置不同PH值的緩沖溶液，探討不同PH對顯色反應的影響，確定檢測的最佳PH值。由于熒光探針

28、在進行檢測時很容易被中水的某種物質影響，因此其對pH的低敏感度顯得很重要。實驗研究了熒光探針B在不同pH條件下的熒光強度。不同pH的溶液用緩沖液的配制。在激發波長為570nm，發射波長為594nm處記錄穩定的熒光強度。由掃描紀錄的數據看出該探針受pH影響。在pH為68的范圍內，熒光強度的變化不超過0.54%，因此該探針適于在中性環境中檢測。4. 干擾離子對銅離子分析檢測的影響選擇干擾陽離子：Cu2+、Hg2+、Zn2+、Mg2+、Pb2+、Ca2+、Cd2+、Ag2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+進行干擾測試。如圖所示在波長為600nm處沒加銅離子的熒光響應值均低于300，而加了銅離子的響應值達到了2000，因此干擾很小可以忽略。（四） 小結本章主要對熒光探針A對銅離子的檢測進行了研究，得出此探針具有對銅離子的高選擇性，低檢測限，其優點是緩沖介質是常見而且容易得到的水，使檢測更加方便。可以運用到實際檢測中。結束語 人們為了認識、評價、改造和控制環境，必須了解引起環境質量變化的原因，這就要對環境(包括原生